Kraftfuld ny billeddannelsesmetode afslører i detaljer, hvordan partikler bevæger sig i opløsning

Ny forskning offentliggjort i Naturens metoder vil dramatisk forbedre, hvordan forskere "ser inde" molekylære strukturer i opløsning, giver mulighed for meget mere præcise måder at afbilde data på forskellige områder, fra astronomi til opdagelse af stoffer.

Den nye metode vil give mulighed for visualisering af mange flere biologiske molekyler, at levere kritisk information om, hvad der er inde i molekyler til forskere, der i øjeblikket kun kan få adgang til deres ydre form eller konvolut. Sådan information kan være et stort løft til studier af vira, for eksempel.

"Med eksisterende teknikker, du kan kun se omridset af virussen, " sagde forfatter Thomas D. Grant, Ph.d., forskningsassistent ved Institut for Strukturel Biologi i Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences ved University at Buffalo og Institut for Materialer, Design og innovation i UB School of Engineering and Applied Sciences og Hauptman-Woodward Medical Research Institute. "Denne nye metode giver os mulighed for at se inde i virusmolekylet for at forstå, hvordan den genetiske information er arrangeret, potentielt give ny indsigt i, hvordan virussen sprøjter denne genetiske information ind i sin vært."

Grant er den eneste forfatter til papiret, en sjældenhed blandt artikler publiceret i dette tidsskrift. Han er videnskabsmand med BioXFEL (biologi med røntgenfri elektronlasere), et National Science Foundation Science and Technology Center sammensat af otte amerikanske forskningsuniversiteter med hovedsæde i UB. Dens mission er at behandle grundlæggende spørgsmål i biologi på molekylært niveau ved hjælp af banebrydende teknikker, herunder røntgenlaservidenskab.

Løsning af faseproblemet

Grants metode har løst faseproblemet for en bestemt molekylær bestemmelsesteknik kaldet opløsningsspredning. Faseproblemet er, hvor kritisk information om fasen af ​​et molekyle går tabt under den eksperimentelle proces med at foretage en fysisk måling.

Han forklarede, at de fleste molekylære strukturer i dag løses ved hjælp af røntgenkrystallografi, hvor strukturerne spreder intense røntgenstråler i mønstre bestående af hundredtusindvis af unikke informationer, som bruges til i sidste ende at afsløre strukturen i høj opløsning.

"Problemet er, at mere end 75 procent af molekylære strukturer ikke let danner de ordnede krystaller, der diffrakterer godt, " forklarede Grant. "Det betyder, at mange molekyler er svære at visualisere i tre dimensioner."

Ud over, han sagde, biologiske molekyler kan udvise dynamiske bevægelser, der har indflydelse på, hvordan de fungerer, men disse bevægelser mangler, når strukturer krystalliserer, resulterer i tab af vigtig biologisk information.

En vej udenom denne forhindring er at bruge en teknik kaldet løsningsspredning, hvor røntgenstråler spredes ud af molekyler, der flyder i opløsning i stedet for arrangeret i en krystal.

"Opløsningsspredning gør det muligt for molekylerne at bevæge sig dynamisk i deres naturlige tilstande, muliggør visualisering af storstilet konformationsdynamik, der er vigtig for biologisk funktion, sagde Grant. når molekylerne vælter i opløsning, de spreder røntgenstrålerne i mange forskellige retninger, mister de fleste oplysninger, giver typisk kun 10 til 20 unikke data." Indtil nu, sådan lidt information gav kun konturer med lav opløsning af partikelformen.

Grant udviklede en ny algoritme, der gør det muligt at rekonstruere den tredimensionelle elektrontæthed af et molekyle, svarende til en 3-D rekonstruktion af hjernen produceret ved en CT-scanning. Imidlertid, hans algoritme gør dette ved kun at bruge de endimensionelle data fra opløsningsspredningseksperimenter.

Som at se ansigtstræk i stedet for blot en silhuet

"For første gang, dette gør det muligt for os at 'se indeni' disse molekyler, der flyder i opløsning for at forstå de indre tæthedsvariationer i stedet for kun at se de ydre kanter eller 'indhylningen' af partikelformen, " sagde Grant. "Som at kunne se alle en persons ansigtstræk i stedet for kun silhuetten af ​​deres ansigt, denne tilføjede information vil gøre det muligt for forskere bedre at forstå molekylære strukturer i opløsning."

Han udviklede den nye metode ved at udvide på en velkendt matematisk teknik kaldet "iterativ fasehentning." Dette er en beregningsteknik, der giver en måde at løse faseproblemet på.

Grant forklarede:"Faseproblemet er beslægtet med at have et kamera, der nøjagtigt optager alle intensiteterne af hver pixel, men forvrider hvor disse pixels er, baseret på en kompleks matematisk ligning. Så du står tilbage med et ubrugeligt billede af kodede pixels."

Videnskabsmænd, han sagde, har typisk arbejdet på at afkode den matematiske ligning ved at ændre billedet en lille smule for at sikre, at det ser nogenlunde ud, som de forventer. For eksempel, på et landskabsbillede, de blå pixels, der viser himlen, skal naturligvis være øverst.

At løse faseproblemet er som at afkode den ligning, Grant fortsatte, og at være i stand til at placere alle pixels, hvor de skal være, rekonstruere det originale billede.

"Imidlertid, denne proces ændrer nogle af intensiteterne, så du retter dem ud fra det originale krypterede billede, du har, " sagde han. "Denne metode cykler gennem denne proces iterativt, gradvist at forbedre faserne med hver cyklus, til sidst at hente de sidste faser, løse faseproblemet og rekonstruere det ønskede billede."

Grants metode, kaldet "iterativ strukturfaktorsøgning, " giver forskere mulighed for at rekonstruere ikke kun de tredimensionelle faser, men også de tredimensionelle intensiteter, som går tabt i opløsningsspredningsforsøg, når molekylerne vælter tilfældigt i opløsning.

"Dette er den første demonstration af evnen til at rekonstruere tredimensionelle objekter ud fra endimensionelle eksperimentelle data, og det vil sandsynligvis have en stor indvirkning på relaterede billeddannelsesfelter, " han sagde.